电力Trojan蓄电池在服役中安全挑战的演变：见解与策略

安全问题已成为限制电动汽车（EV）广泛普及的核心挑战。在电动汽车的使用寿命中，电池的安全性能会动态演变，这从根本上决定了系统的可靠性。本综述总结指出，从制造到生命终止的主要故障诱因，关键影响电池安全，并最终可能引发热失控（TR）。我们识别出三种主要的降解途径。首先，制造缺陷会引发局部电流不平衡、内部短路（ISC）和界面侧反应。其次，外部虐待可以通过结构性损伤直接引发TR。第三，长期循环导致活性材料和锂库存不可逆地损失，逐渐削弱热稳定性。研究进一步界定了安全演变的两种截然不同的模式。其中一种途径涉及缺陷或滥用诱导的ISC触发TR，产生可观察到的温度峰值，时间在几秒到数小时内。另一种是由于热管理或电力管理不善导致的累积退化，表现为可测量的容量下降和电阻在数天到数年间增加。为应对这些挑战，我们提出了基于数字孪生的多层次安全感知框架，整合高精度传感、机械建模和人工智能算法，从而强化安全管理。这一方法为电池在整个使用寿命中保护提供了见解，并支持电动汽车的可持续和安全使用。

简介

锂离子电池（LIB）因其长周期寿命、高能量和功率密度以及无记忆效应而备受推崇，正日益被广泛应用于电动汽车（EV）、无人机系统以及重型工程机械等多种应用中。然而，根据UL Solutions锂离子电池事故报告（2024年）报告，2020年至2024年间全球共记录了超过11,000起电池相关事故[1]，其中因电池热失控（TR）引发的火灾事件频繁发生，引发了公众安全关注。我们对中国新能源车国家监测管理体系记录的TR事故数据进行了进一步分析。基于里程的统计显示，火灾并不局限于初始阶段：10.86%发生在0–5000公里范围内，6.95%发生在5000–10,000公里，6.65%发生在10,000–15,000公里，6.26%发生在15,000–20,000公里，61.84%发生在20,000公里以内，7.44%未分类。按操作状态计算，38.55%的病例发生在车辆停放和关闭电源时，30.43%发生在充电时，21.82%发生在驾驶中（见图1（a–e））。这些数据强调，电动汽车的TR风险源自多种原因，可能贯穿整个服役寿命。
通常，TR代表灾难性失效，过多的热量产生压倒了耗散，导致温度迅速上升，并引发自持的放热反应级联反应，最终可能导致火灾或爆炸。从机械角度看，TR可由机械虐待（如压碎、撞击、穿透）、热滥用（如局部过热、电弧形成）以及电气滥用（如过充、过放电、外部短路）触发[2]。实际上，这些触发器紧密耦合。机械损伤可能直接导致外部短路，引发电气虐待。伴随的热量加速温度上升，并进入热滥用阶段。在细胞内部，异常的热产生会引发一连串反应。首先，固体电解质界面（SEI）分解。接着发生阳极-电解质反应，接着是分离体熔化和塌缩。阴极相变和电解质反应随之而来，电解质分解和结合剂破裂。这些过程共同导致TR事件[3]，如图2所示。典型的TR可引发剧烈的电池膨胀、高温气体排放、点火和燃烧。当单个电池释放的能量未能有效控制或耗散时，故障可能升级到系统层面，导致高压电弧、气体爆炸，甚至车辆灾难性火灾。
最近调查确认的电动车事故表明，热失控可能以极其复杂且危险的方式表现出来。根据美国国家运输安全委员会发布的火灾事故安全分析报告[4]，两次严重碰撞事件显示高速撞击可能撕开电池外壳，暴露或变形模块，并导致单元分离器机械破裂，进而导致内部短路。这些短路引发了首次热失控，随后在几秒钟内迅速传播到相邻的电池和模块之间，产生高温喷射火焰;即使初始火焰被扑灭，受损电池内仍可能残留大量“滞留能量”，导致数小时后甚至事故后拖曳过程中多次重新点火。除了碰撞引发的外部虐待外，报告还记录了一起非事故事件。该事件归因于长期运行中积累的潜在内部电池缺陷或局部降解，触发缓慢启动的内部短路，随后在温度达到SEI分解和阴极氧释放阈值时演变为急性热失控。失控过程进一步传播到邻近单元，最终升级为模块级和电池组级热失效。这些事件综合显示，外部机械损伤和内部潜在缺陷都显著增加电池易受性，并将故障路径从结构受损转向热化学不稳定性，凸显了锂离子电池安全演进的生命周期导向和系统性理解的紧迫需求。
通过将有记录的现场故障事件与基本TR机制整合，实际TR触发在服役期间可分为三大类：制造缺陷、外部虐待和累积使用影响（见图2）。在制造过程中，金属颗粒污染或电解液润湿不足等缺陷会带来潜在安全风险[5]，尤其容易引发早期TR的发生。外部虐待，包括机械损伤[6]和电弧故障[7]，可能导致安全事故，且可能发生在电池运行的任何阶段。在长期服役过程中，极端温度暴露和不规律的充放协议等累积因素会在LIB内引发不可逆的化学和物理变化[8]。这些变化损害了电池间的稳定性，单个电池中持续的微过载或过度放电加剧了热量和电池管理的挑战。电池在整个使用周期中的状态直接影响其安全性，因为运行、环境和老化等因素共同决定了故障和TR的易感性。
全面了解电池故障背后的TR对于长期、多尺度的安全提升至关重要。基于失败的现有知识难以捕捉现实世界原因的复杂性。因此，为了更好地量化电池在使用寿命中的安全性，我们引入了基于易受性和严重程度的双重评估框架。这两个因素分别对应于衡量触发TR的可能性和TR由此产生的损伤。具体来说，易受性指的是电池材料的内在不稳定性及其触发TR的可能性，代表TR和爆炸事件的概率。而严重度则衡量TR的破坏性后果，如火灾和爆炸强度，指示潜在的损害范围。不同的故障触发因素以不同方式影响这些指标。例如，活性物质的累积损失会降低敏感性和严重程度，而氧沉积则会增加这些敏感性。现有研究很少区分这些影响，限制了实际安全管理的指导。本文分析了主要实用触发因素的影响，包括制造缺陷、外部虐待和累积使用。我们揭示了失效模式与TR特性之间的内在联系。该框架为有针对性的安全预警和优化电池管理提供实用策略，以提升系统可靠性。为应对电池服役期间多源故障带来的挑战，本研究进一步提出了基于数字孪生技术的多层次安全管理框架。通过集成高精度传感、机制建模和人工智能算法，该框架实现了连续的安全状态感知、故障路径预测以及闭环风险调控。